(57)【要約】【課題】  レーザを照射することによって、単色化されたイオンビームを効率よく発生可能なターゲットとして用いることができるナノクラスタを提供する。【解決手段】  少なくとも２種類の原子がそれぞれ一定の密度で混在し、全体として球状をなす構造のナノクラスタに、超高強度・超短パルスのレーザを照射してイオンビームを出力させる。その際、ナノクラスタを構成する少なくとも２種類の原子がイオン化した際の、加速効率比および電荷混合比を最適化することによって、所定の単色精度のイオンビームの出力効率を最大化する。このようにして生成されるイオンビームは、癌治療をはじめとする様々な用途に活用可能である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射によるイオンビーム生成のためのターゲットとして使用するナノクラスタであって、
少なくとも２種類の原子がそれぞれ一定の密度で混在し、全体として球状をなす構造であることを特徴とするナノクラスタ。
【請求項２】
レーザ照射によるイオンビーム生成のためのターゲットとして使用するナノクラスタであって、
第１の原子が第１の密度で存在している第１原子層、及び第２原子層と、
第２の原子が第２の密度で存在している第３原子層と、
を有し、
前記第３原子層が、前記第１原子層及び前記第２原子層に挟み込まれた多層構造を形成し、全体として球状をなしていることを特徴とするナノクラスタ。
【請求項３】
レーザ照射によるイオンビーム生成のためのターゲットとして使用するナノクラスタであって、
互いに異なる第１の原子及び第２の原子を有し、
前記第１の原子は前記ナノクラスタの中心点からの距離に対して第１の依存性を有する密度で存在し、
前記第２の原子は前記ナノクラスタの中心点からの距離に対して第２の依存性を有する密度で存在し、
全体として球状をなす構造であることを特徴とするナノクラスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状のナノクラスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌治療、中性子発生源、イオンビームプローブなどに応用するため、超高強度・超短パルスレーザをターゲットに照射することによりイオンビームを生成する方法が検討されている。
【０００３】
例えば、照射するレーザ光のエネルギを効率よくイオン加速に利用することのできる平板ターゲットが提案されている。この平板ターゲットは、入射して伝搬するレーザ光のエネルギを電子に伝達しプラズマ状態とするように機能する比較的高電子密度の前段部分と、多量のエネルギを受け取って、プラズマ状態となった電子を後端方向に向けて漸次的に加速する比較的低電子密度の後段部分とを備えている。この例では、レーザ光発生装置の負荷が軽くなるとともに小型化が可能であり、イオン加速部分も小型化が可能となっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−１９８５６６号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、癌治療等に用いるイオンビームは単色化（単一エネルギ化）が必要であるが、上記のような従来の平板ターゲットを用いたイオンビーム発生装置においては、単色化に関する詳細な記載がない。また、単色化プロセスによって効率が低下するという問題がある。さらに、イオンビームの単色化のためには空間的に均一な、あるいは対称性をもった電子によるイオン加速電場の形成が必要であるが、平板ターゲットでは原理的に実現困難である。
【０００５】
そこで、本発明は、単色化されたイオンビームの発生が効率よく実現可能なターゲットとして用いることができるナノクラスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ照射によるイオンビーム生成のためのターゲットとして使用するナノクラスタであって、少なくとも２種類の原子がそれぞれ一定の密度で混在し、全体として球状をなす構造であることを特徴としている。
【０００７】
このような構成によると、単色化されたイオンビームの生成効率は、ナノクラスタを構成する少なくとも２種類の原子がイオン化した際の、加速効率比および電荷混合比に依存して変化する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、レーザ照射によるイオンビーム生成のためのターゲットとして使用するナノクラスタであって、第１の原子が第１の密度で存在している第１原子層、及び第２原子層と、第２の原子が第２の密度で存在している第３原子層と、を有し、第３原子層が、第１原子層及び第２原子層に挟み込まれた多層構造を形成し、全体として球状をなしていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によると、単色化されたイオンビームの生成効率は、ナノクラスタを構成する２種類の原子がイオン化した際の、加速効率比、電荷混合比、ナノクラスタ全体の体積に対する第３原子層の体積の割合、およびナノクラスタ全体の球径に対する第３原子層の外側のナノクラスタの中心点からの距離の割合に依存する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、レーザ照射によるイオンビーム生成のためのターゲットとして使用するナノクラスタであって、互いに異なる第１の原子及び第２の原子を有し、第１の原子はナノクラスタの中心点からの距離に対して第１の依存性を有する密度で存在し、第２の原子はナノクラスタの中心点からの距離に対して第２の依存性を有する密度で存在し、全体として球状をなす構造であることを特徴としている。
【００１１】
このような構成によると、単色化されたイオンビームの生成効率は、ナノクラスタを構成する２種類の原子がイオン化した際の加速効率比と、電荷混合比の算出において、ナノクラスタの最外径における電荷混合比にナノクラスタの最外径に対する中心点からの距離の割合を乗ずる際の指数、およびナノクラスタの最外径における電荷混合比に依存する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に記載のナノクラスタによれば、ナノクラスタを構成する少なくとも２種類の原子の電荷混合比を最適化することによって、所望な程度に単色化されたイオンビームを効率よく発生させることが可能になる。
【００１３】
請求項２に記載のナノクラスタによれば、ナノクラスタを構成する２種類の原子の電荷混合比、および第１から第３の原子層の厚さを最適化することによって、所望な程度に単色化されたイオンビームを効率よく発生させることが可能になる。
【００１４】
請求項３に記載のナノクラスタによれば、ナノクラスタを構成する２種類の原子の加速効率比、ナノクラスタの最外径における電荷混合比、および２種類の原子のナノクラスタの中心からの距離に対する密度依存性を最適化することによって、所望程度に単色化されたイオンビームを効率よく発生させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照しながら、本発明による球形状のナノクラスタ（以下、ナノ球状クラスタと称する）について説明する。本発明によるナノ球状クラスタは、少なくとも２種類の原子が数千から数万のオーダで凝集し、結果として数ナノメートルから数百ナノメートルサイズの球状塊をなす構成であるとしている。
【００１６】
上記のようなナノ球状クラスタに、近年急成長を遂げている超高強度・超短パルスレーザ、例えば波長１ミクロンで照射強度１０１６〜１０１７Ｗ／ｃｍ２のレーザを照射する。このとき、電子は真空中に爆発的に飛散し、その結果中心には電子に比べてはるかに重いイオン球が取り残される。これらのイオンが強大なクーロン反発力により外形方向に加速され、クーロン爆発を起こす。このクーロン爆発によって、イオンビームが生成される。本発明は、このようなイオンビーム生成のためのターゲットに使用する際の、ナノ球状クラスタの２種類の原子の密度比や密度配位の最適化に関するものである。
【００１７】
なお、本発明の各実施の形態は、理論計算に基づくものであり、以下にあげるシステムを特徴づける２つのパラメータ、すなわち、加速効率比αおよび電荷混合比βを用いる。また、以下の実施の形態において、ナノ球状クラスタは２種類の原子１および原子２を有するものとして説明する。
【００１８】
また、本発明の各実施の形態によるナノ球体クラスタのサイズは、照射するレーザの波長に比べて十分短いため、ナノ球体クラスタの中心部の原子にも十分強いレーザ電場が作用し、短時間のうちに原子がイオン化することが可能である。さらに、原子１および原子２としては、水素の同位体や炭素といった原子番号の小さい原子を使うので、最適なレーザ強度やクラスタサイズを選択することによってほぼ完全電離に近いイオンクラスタ球を作ることができる。よって以下の各実施の形態によるナノ球体クラスタにおいて、粒子１および粒子２のイオン密度はそのままレーザ照射前のナノ球体クラスタの各原子密度と考えてよい。
【００１９】
ここで、２種類の原子がイオン化した際に、相対的に弱く加速されるバックグラウンドとなるイオン種を原子１がイオン化した粒子１とし、単色化かつ強く加速したいイオン種を原子２がイオン化した粒子２とする。また、加速効率比αおよび電荷混合比βは、電荷Ｚｘ、イオンの質量ｍｘ、イオンの密度ｎｘ（単位体積当たりの粒子数）（ｘ＝１、２）によって以下のように表わされる。
（１）  加速効率比α＝（Ｚ２／ｍ２）／（Ｚ１／ｍ１）
（２）  電荷混合比β＝（Ｚ２ｎ２）／（Ｚ１ｎ１＋Ｚ２ｎ２）
【００２０】
上記式（１）のように、加速効率比αは各イオン質量の関数であり、相対的な加速しやすさを示す。電荷混合比βは各イオンの混合密度比を与える。各イオンは電荷Ｚをもち、クーロン斥力も考慮しなければならず、加速効率比α、電荷混合比βは電荷も含んだ定義となっている。以下の実施の形態においては、これらのパラメータを用いて最適なターゲット設計を行った。なお、以下の実施の形態において、α＝２（粒子１をＣ＋６（ｍ１＝１２、Ｚ１＝６）、粒子２をＨ＋（ｍ２＝１、Ｚ２＝１）と固定した。
【００２１】
また、癌治療に必要とされる単色精度１%を固定パラメータとして用いた。なお、中性子発生源、イオンビームなどの一般的な用途に要求される単色精度は５%程度である。以下に単色精度ｔ％であるときのエネルギＥの範囲を示した式を示す。
（３）  （１−ｔ／１００）Ｅｍａｘ≦Ｅ≦Ｅｍａｘ
【００２２】
単色化の指標である単色効率η１は、単色精度ｔ％の範囲中にある粒子２の数をＮ２（ｔ％）、粒子２の合計をＮ２（Ｔｏｔａｌ）とすると、以下の式で定義される。
（４）  単色効率η１＝Ｎ２（ｔ％）／Ｎ２（Ｔｏｔａｌ）
【００２３】
生成効率η２は、電荷混合率βが粒子１に対する粒子２の割合なので、単色効率η１に乗ずると全粒子数に対する効率になることから以下のように定義される。
（５）  生成効率η２＝βη１
【００２４】
以下、本発明の第１の実施の形態によるナノ球状クラスタについて図１および図２を参照しながら説明する。第１の実施の形態によるナノ球状クラスタは、２種の原子がナノ球状クラスタの中心からの距離ｒに対して一様な密度で混合しているターゲットである。図１において、横軸が距離ｒ、縦軸がイオン密度ｎである。図１に示すように、距離ｒに関係なく、粒子１は密度ｎ１、粒子２は密度ｎ２と一様な密度で存在している。
【００２５】
このナノ球体クラスタをターゲットにしてレーザを照射し、イオンビームを生成させる場合について、上記式（１）〜（５）を用いて加速効率比α＝２、単色精度１%を固定パラメータとした場合の生成効率η２を計算した結果が図２である。図２において、横軸は電荷混合率β、縦軸は生成効率η２である。図２に示すように、電荷混合率βを約３０％とすることで最大の生成効率η１を得ることができる。このときの単色効率η１は約３２％、生成効率η２は約９％である。
【００２６】
以上のように、本発明の第１の実施の形態によるナノ球状クラスタは、原子１が密度ｎ１、原子２が密度ｎ２とそれぞれ所定の密度で一様に分布し、全体として球状をなした構造である。このようなナノ球状クラスタをターゲットとしてイオンビームを生成する際に、原子１がイオン化した粒子１、および原子２がイオン化した粒子２の電荷混合比βを最適化することによって、例えば１%など所望の単色精度に単色化されたイオンビームの生成効率η２を最大化させることが可能である。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施の形態によるナノ球状クラスタについて、図３および図４を参照しながら説明する。第２の実施の形態によるナノ球状クラスタは、加速される粒子２が粒子１の層に挟まれたサンドイッチ構造をもつターゲットである。図３において、横軸がナノ球状クラスタの中心からの距離ｒ、縦軸がイオン密度ｎである。図３に示すように、第２の実施の形態によるナノ球体クラスタは、粒子１が密度ｎ１で分布している距離ｒ＝０からｒ＝ｒ１迄の第１原子層、粒子１が密度ｎ１で分布している距離ｒ＝ｒ２からｒ＝ｒ０迄の第２原子層、および第１原子層と第２原子層とに挟まれ、粒子２が密度ｎ２で分布している距離ｒ＝ｒ１からｒ＝ｒ２迄の第３原子層を有している。すなわち、第１原子層は、粒子１が密度ｎ１で分布した半径ｒ１の球体、第２原子層は、粒子１が密度ｎ１で分布した半径ｒ２〜ｒ０の球殻、第３原子層は第１原子層及び第２原子層に挟まれ粒子２が密度ｎ２で分布した半径ｒ１〜ｒ２の球殻という構成である。
【００２８】
このナノ球体クラスタをターゲットにしてレーザを照射し、イオンビームを生成させる場合について、上記式（１）〜（５）を用いて生成効率η２を計算した結果が図４である。図４において、横軸は距離比ｒ２／ｒ０、縦軸は生成効率η２である。また、図４において、パラメータｐは、粒子２の第３原子層の全体に対する比率であり、最大３０％程度までとることができる。パラメータｐは以下の式で表わされる。
（６）ｐ＝（４πｒ２３／３−４πｒ１３／３）／（４πｒ０３／３）
【００２９】
また、パラメータｐと電荷混合率βとは相関があり、以下の式で表わされる。
（７）  電荷混合率β＝（１＋Ｚ１／Ｚ２×ｒ０３／（ｒ２３−ｒ１３）×（１−ｐ）ｎ１／ｎ２）−１
【００３０】
図４に示すように、加速したい粒子２の第３原子層の外側の半径ｒ２を、ターゲットの最外半径ｒ０の８５％とすることで最大の生成効率η２を得ることができる。このときの粒子２の第３原子層の内側の半径ｒ１は挿入されるボリューム（パラメータｐに依存）によって変動する。また、ｐ＝０．２（β＝０．０４）とした時の単色効率η１は約５％、生成効率η２は約２％となる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によるナノ球状クラスタは、原子１および原子２がそれぞれ層構造を形成し、原子２の層は原子１の層に挟み込まれた多層構造をなし、全体として球形状を構成している。特に、原子１の第１原子層は、半径ｒ１の球形であり、原子２の第３原子層および原子１の第２原子層はそれぞれ球殻形状をなすことにより、多層構造を形成している。
【００３２】
このナノ球状クラスタにおいて、生成されるイオンビームの生成効率η２は、２種類の原子がイオン化した粒子１および粒子２の加速効率比α、電荷混合比β、ナノ球状クラスタ全体の堆積に対する粒子２の層の堆積の割合ｐ、およびナノ球状クラスタ全体の球径に対する第３原子層の外側の径の割合ｒ２／ｒ０に依存する。すなわち、電荷混合比βおよび割合ｒ２／ｒ０を最適化することによって、例えば１％など所望の単色化率を有するイオンビームの生成効率η２を最大化することが可能である。
【００３３】
本発明の第３の実施の形態によるナノ球状クラスタについて、図５および図６を参照しながら説明する。第３の実施の形態によるナノ球状クラスタは、ナノ球状クラスタの中心からの距離ｒに対して粒子１および粒子２が密度の勾配を持って混合されている構造をもつターゲットである。図５において、横軸がナノ球状クラスタの中心からの距離ｒ、縦軸が各イオン密度ｎである。図５に示すように、粒子１の密度は距離ｒに対して密度ｎ１ａから密度ｎ１ｂへと一定の勾配を持って減少する第１の依存性を有し、粒子２の密度は、逆に距離ｒに比例してゼロからｎ２まで増大する第２の依存性を有する分布となっている。
【００３４】
このナノ球体クラスタをターゲットにしてレーザを照射し、イオンビームを生成させる場合について、上記式（１）〜（５）を用いて生成効率η２を計算した結果が図６である。図６において、横軸は指数ν、縦軸は生成効率η２である。ここで指数νは、加速したいイオンの密度の距離ｒ依存性を電荷混合率β（ｒ）、電荷混合率β０をナノ球状クラスタの最外半径における電荷混合率βの値、距離ｒ０は、ナノ球状クラスタターゲットの最外半径（１０〜１００ｎｍ）として以下の式（８）で表わしたときに用いられる指数として定義する。
（８）  電荷混合率β（ｒ）＝β０×（ｒ／ｒ０）ν
【００３５】
図６に示すように、上記のように加速効率比α＝２である場合には、電荷混合率β０＝０．６、距離ｒ０＝０．７５であるときに最大の生成効率η２が得られ、単色効率η１は約７７％、生成効率η２は約３７％となる。この生成効率η２約３７％は、全粒子の３７％が単色精度１％のエネルギ領域に存在することを示している。このターゲット構造を実現することができれば、単色イオンビーム生成効率を飛躍的に改善することが可能である。
【００３６】
以上説明したように、第３の実施の形態によるナノ球状クラスタにおいて、原子１の密度はナノクラスタの中心点からの距離ｒに対して減少する依存性を有し、原子２の密度はナノクラスタの中心点からの距離ｒに比例して増大するように構成され、全体として球状をなしている。このナノ球状クラスタにおいて、電荷混合率βと、ナノ球状クラスタの中心からの距離ｒに対する粒子１および粒子２の依存性を最適化することによって、例えば１%など所望の単色精度のイオンビームの生成効率を最大化することが可能になる。
【００３７】
特に、単色精度１%のイオンビームの生成効率が３７％となるという第３の実施の形態によるナノ球状クラスタが実現できれば、単色イオンビームの生成効率を飛躍的に改善可能である。第３の実施の形態によるナノ球体クラスタは、例えば、時間的に２種類の原子の密度比を調整する方法などを活用することにより実現が可能である。
【００３８】
本発明によるナノクラスタは上述の実施の形態に限定されず特許請求の範囲に記載された範囲内で種々の変形や改良が可能である。例えば、上記実施形態以外にも、少なくとも２種類の原子を有する球状のナノクラスタにおいて、イオン密度の分布の距離に対する依存性を別な関数にしたりといった変形は、パラメータの最適化によって生成効率を最大化できる等、同様の作用効果を得られるものであれば本発明の範囲である。
【００３９】
以上詳細に説明したように、本発明によるナノ球体クラスタをレーザ照射による単色イオンビーム生成のターゲットとして用いることで、単色精度、生成効率等を従来のターゲットに比べて大幅に改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のナノクラスタは、癌治療、中性子生成源、イオンビームプローブなどに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施の形態によるナノ球体クラスタにおける粒子１および粒子２の密度分布を表わす図。
【図２】第１の実施の形態によるナノ球体クラスタを用いたイオンビーム生成効率を示す図。
【図３】第２の実施の形態によるナノ球体クラスタにおける粒子１および粒子２の密度分布を表わす図。
【図４】第２の実施の形態によるナノ球体クラスタを用いたイオンビーム生成効率を示す図。
【図５】第３の実施の形態によるナノ球体クラスタにおける粒子１および粒子２の密度分布を表わす図。
【図６】第３の実施の形態によるナノ球体クラスタを用いたイオンビーム生成効率を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
ｔ：単色精度  α：単色効率  β：電荷混合比  η１：単色効率  η２：生成効率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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